軌道預(yù)制板模具工業(yè)機(jī)器人噴涂系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王海員

（中鐵三局集團(tuán)橋隧工程有限公司，四川 成都 610036）

1 研究背景

隨著高速鐵路和城市軌道交通的不斷發(fā)展，為保證列車(chē)在運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性和安全性，中國(guó)高速鐵路及軌道交通建設(shè)均使用鋼筋和混凝土預(yù)制構(gòu)件作為高速鐵路基底及其支撐件，鋼筋混凝土預(yù)制構(gòu)件具有穩(wěn)定性好、壽命長(zhǎng)、維修率低等優(yōu)點(diǎn)[1]。其中，用于承載軌道的軌道預(yù)制板主要在工廠中采用專(zhuān)用的模具進(jìn)行鋼筋和自密實(shí)混凝土預(yù)制[2]。

為方便軌道預(yù)制板澆筑成型后進(jìn)行脫模，需要在澆筑前給模具型腔表面噴涂脫模劑[3]。目前，由于軌道預(yù)制板模具其體積大、內(nèi)部型腔表面復(fù)雜，若使用人工進(jìn)行脫模劑噴涂，工作量大、效率低，且脫模劑不利于人體健康。當(dāng)前生產(chǎn)線多采用專(zhuān)用設(shè)備進(jìn)行脫模劑噴涂，但專(zhuān)用設(shè)備靈活性差，不能適應(yīng)型號(hào)豐富的軌道預(yù)制板系列產(chǎn)品的模具，因此迫切需要開(kāi)發(fā)適應(yīng)性強(qiáng)的脫模劑噴涂設(shè)備。本文提出使用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行脫模劑噴涂作業(yè)，并設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，與軌道預(yù)制板生產(chǎn)線相結(jié)合，控制工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)噴漆。

工業(yè)機(jī)器人是智能制造系統(tǒng)中制造裝備的重要組成部分，也是人工智能技術(shù)用于制造業(yè)的主要方式之一[4-5]。工業(yè)機(jī)器人及智能裝備制造技術(shù)不僅能提高企業(yè)工廠的生產(chǎn)效率，更能大大降低用工風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于軌道預(yù)制板模具脫模劑噴涂，若采用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行模具噴涂，將能夠大大提升噴涂效率，噴涂均勻。另外工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡可根據(jù)不同型號(hào)軌道預(yù)制板模具進(jìn)行調(diào)整，適應(yīng)性強(qiáng)。

本文根據(jù)軌道預(yù)制板加工生產(chǎn)線的工序要求，采用工業(yè)機(jī)器人對(duì)軌道板的模具噴涂系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，達(dá)到了預(yù)定的生產(chǎn)線節(jié)拍要求。

2 噴涂系統(tǒng)的搭建和布置

由于軌道預(yù)制板加工廠家已有完備的生產(chǎn)線，為了盡可能降低生產(chǎn)線改造成本，本文設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人模具噴涂系統(tǒng)主要根據(jù)當(dāng)前已有的軌道預(yù)制板模具設(shè)備基礎(chǔ)進(jìn)行改造。因此需要根據(jù)軌道預(yù)制板模具型腔尺寸進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人選型，并合理地設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)使其與生產(chǎn)線系統(tǒng)結(jié)合，滿足生產(chǎn)節(jié)拍要求和工序要求。

2.1 工業(yè)機(jī)器人安裝配置原則

安裝配置方案應(yīng)按照以下原則施工：①充分利用軌道預(yù)制板加工設(shè)備及其工位外部和內(nèi)部的空間，充分利用現(xiàn)場(chǎng)已有設(shè)施進(jìn)行工業(yè)機(jī)器人設(shè)備配置；②根據(jù)目前軌道預(yù)制板模具型腔內(nèi)部空間，通過(guò)仿真驗(yàn)證機(jī)器人的工作范圍，避免機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生碰撞，同時(shí)避免機(jī)器人不能到達(dá)指定位置使型腔表面不能完整噴涂；③要根據(jù)模具型腔內(nèi)空間以及模具設(shè)備整體內(nèi)部空間考慮機(jī)器人第七軸直線移動(dòng)軸布置高度，以保證機(jī)器人動(dòng)作安全空間；④構(gòu)建轉(zhuǎn)運(yùn)便捷、電氣線路信號(hào)安全、機(jī)器人本體防護(hù)、設(shè)備周邊操作人員安全防護(hù)等。

2.2 模具和設(shè)備的結(jié)構(gòu)及尺寸

軌道預(yù)制板模具內(nèi)部型腔長(zhǎng)7 700 mm，寬3 200 mm，最深處為1 800 mm。模具主體由底模、側(cè)模、端模組成。為了在噴涂時(shí)避免霧化的脫模劑四處飄散，在模具上方安裝有可升降的模具頂蓋和換氣系統(tǒng)，同時(shí)將專(zhuān)用的脫模劑噴涂設(shè)備安裝于模具上方模具頂蓋內(nèi)。軌道預(yù)制板模具主體和上部模具頂蓋如圖1所示。

脫模劑噴涂工位設(shè)備待機(jī)時(shí)，設(shè)備4 個(gè)液壓缸將模具頂蓋抬升至空中，當(dāng)空的模具移動(dòng)至當(dāng)前脫模劑噴涂工位時(shí)，設(shè)備降下模具頂蓋將模具覆蓋，內(nèi)部的自動(dòng)噴涂設(shè)備再進(jìn)行噴涂作業(yè)；噴涂完畢后，噴涂設(shè)備回收，并抬升模具頂蓋，模具即移出脫模劑噴涂工位進(jìn)入澆筑工位。模具噴涂工藝流程如圖2 所示。

圖2 模具噴涂工藝流程

當(dāng)前噴涂設(shè)備采用豎直向下的噴淋的方式對(duì)模具型腔表面進(jìn)行脫模劑噴涂。這種方法一方面不能將模具豎直的側(cè)模表面充分噴涂，另一方面大部分脫模劑流向了模具底模最深處局部地區(qū)，這將使之后自密實(shí)混凝土在模具局部地區(qū)難以填充產(chǎn)生孔洞，造成軌道預(yù)制板的質(zhì)量問(wèn)題。

2.3 機(jī)器人第七軸設(shè)計(jì)及布置方案

本文選用六軸工業(yè)機(jī)器人，六軸工業(yè)機(jī)器人自由度高、靈活性強(qiáng)、技術(shù)成熟，能夠滿足模具型腔的噴涂需要。由于模具型腔深度為1 800 mm，寬為3 200 mm，若能夠?qū)C(jī)器人懸吊于模具型腔上方，使機(jī)器人能夠充分利用其臂展長(zhǎng)度對(duì)模具進(jìn)行噴涂作業(yè)。同時(shí)，由于模具長(zhǎng)為7 700 mm，如能夠使機(jī)器人在模具型腔中移動(dòng)，那么只使用一臺(tái)機(jī)器人即可完成模具噴涂工作。

因此為工業(yè)機(jī)器人擴(kuò)展平移軌道便能夠使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)水平移動(dòng)。此機(jī)構(gòu)又稱為第七軸工業(yè)機(jī)器人行走軸，是基于工業(yè)機(jī)器人6 個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)自由度外增加的第七個(gè)直線平移自由度[6-8]。對(duì)于本文設(shè)計(jì)的模具噴涂系統(tǒng)，工業(yè)機(jī)器人采用桁架吊裝的方式進(jìn)行安裝，桁架布置在模具長(zhǎng)軸上，如圖3 所示。

2.4 工業(yè)機(jī)器人選型

本文目前只針對(duì)機(jī)器人需要滿足的運(yùn)動(dòng)范圍進(jìn)行選型。根據(jù)機(jī)器人工作環(huán)境的溫度、濕度，需要對(duì)機(jī)器人本體做防護(hù)，在購(gòu)買(mǎi)機(jī)器人時(shí)根據(jù)需要考慮選擇合適的防護(hù)等級(jí)。

根據(jù)需求，要保證模具內(nèi)部型腔表面都能被涂料覆蓋。由于機(jī)器人安裝在模具中軸線上方，模具頂面距離最深處為1 800 mm，中軸線距離型腔邊緣1 600 mm，計(jì)算得模具頂面中軸線距離模具邊緣最深處距離約為2 408 mm。又因?yàn)閲姌屢话憔嚯x噴涂表面500～800 mm，以最小距離500 mm 為準(zhǔn)，因此理論上當(dāng)機(jī)器人工作半徑至少約為1 900 mm 時(shí)，機(jī)器人噴涂的范圍能夠保證覆蓋所有內(nèi)腔表面。

同時(shí)又為了在機(jī)器人折疊回收時(shí)盡可能使機(jī)器人本體離開(kāi)模具內(nèi)腔空間，機(jī)器還需與模具頂面保持一定距離，如圖4 所示。

圖4 機(jī)器人折放狀態(tài)示意圖

綜上所述，所需的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)半徑需要達(dá)到2 000 mm 以上。又因?yàn)闄C(jī)器人末端負(fù)載較小，所以首選小型機(jī)器人。通過(guò)進(jìn)一步對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，本文選用Fanuc 工業(yè)機(jī)器人M-10iA/8L（運(yùn)動(dòng)半徑2 028 mm，負(fù)載8 kg）[9]。

另外，機(jī)器人末端噴頭選用當(dāng)前專(zhuān)用設(shè)備采用的噴頭，如圖5 所示，節(jié)省硬件成本。噴涂系統(tǒng)采用外部獨(dú)立的脫模劑供給系統(tǒng)進(jìn)行控制。

圖5 模具噴涂機(jī)器人末端噴頭安裝

3 模具噴涂系統(tǒng)控制方案

模具噴涂系統(tǒng)總成主要包括Fanuc 工業(yè)機(jī)器人控制單元、噴涂控制單元以及監(jiān)控系統(tǒng)。

3.1 總控電氣系統(tǒng)

本文所設(shè)計(jì)的模具噴涂系統(tǒng)的電氣系統(tǒng)基于分布式和模塊化理念設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)分為機(jī)器人單元、機(jī)器人末端執(zhí)行器氣動(dòng)噴涂單元以及計(jì)算機(jī)監(jiān)控單元。機(jī)器人控制單元包括機(jī)器人第六軸及第七軸電機(jī)的控制，機(jī)器人單元作為從站通過(guò)ProfiNet I/O 板卡提供的Socket 通信接口與生產(chǎn)線噴涂工位的PLC 控制系統(tǒng)主站相連接，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與生產(chǎn)線的結(jié)合。末端執(zhí)行器氣動(dòng)噴涂單元由PLC 主站進(jìn)行控制。外部監(jiān)控系統(tǒng)主要用于機(jī)器人單元運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，基于TCP/IP與計(jì)算機(jī)相連。

3.2 機(jī)器人自動(dòng)噴涂方案

工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)噴涂系統(tǒng)主要對(duì)模具的4 個(gè)側(cè)模和1 個(gè)底模進(jìn)行噴涂。由于機(jī)器人旋轉(zhuǎn)工作范圍是±180°，工作半徑可覆蓋模具型腔一半?yún)^(qū)域，因此本文擬將模具型腔分為左右2 個(gè)工作區(qū)域，在桁架行走軸上設(shè)定機(jī)器人的2 個(gè)工作位置，分別為模具長(zhǎng)軸1/4處和3/4 處。

當(dāng)模具進(jìn)入脫模劑噴涂工位時(shí)，工位PLC 主站啟動(dòng)液壓缸，使模具頂蓋下降。下降到工作高度時(shí)，PLC主站發(fā)送信號(hào)到機(jī)器人控制柜，機(jī)器人啟動(dòng)第七軸行走軸電機(jī)使其移動(dòng)至桁架1/4 處。機(jī)器人展開(kāi)，啟動(dòng)脫模劑氣動(dòng)噴涂單元，開(kāi)始對(duì)模具左側(cè)區(qū)域進(jìn)行噴涂。模具左半部分區(qū)域噴涂完畢后，機(jī)器人收折，機(jī)器人啟動(dòng)第七軸行走至桁架3/4 位置，機(jī)器人展開(kāi)，再進(jìn)行右半部分模具的噴涂工作。

3.3 機(jī)器人噴涂軌跡規(guī)劃仿真

本文采用 Fanuc 工業(yè)機(jī)器人仿真軟件ROBOGUIDE 進(jìn)行1∶1 仿真環(huán)境搭建，并進(jìn)行機(jī)器人軌跡規(guī)劃仿真，仿真環(huán)境能夠?qū)ζ魅诉\(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行調(diào)試，同時(shí)能夠驗(yàn)證機(jī)器人在模具型腔中對(duì)目標(biāo)位置的可達(dá)性。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定機(jī)器人末端噴頭距離待噴涂平面600 mm 處時(shí)能夠使目標(biāo)表面均勻附著合適厚度的脫模劑，因此將末端執(zhí)行器工具坐標(biāo)點(diǎn)設(shè)定至600 mm 處，如圖6 所示。

圖6 機(jī)器人工具坐標(biāo)點(diǎn)設(shè)定

由于脫模劑本身具有流動(dòng)性，模具噴涂系統(tǒng)采用先噴涂側(cè)模后噴涂底模的策略。根據(jù)實(shí)驗(yàn)中噴涂側(cè)模流動(dòng)至底模的脫模劑存量，在噴涂底模時(shí)可適當(dāng)降低噴槍壓力降低底模的噴涂量。由于側(cè)模存在弧面，因此模具型腔噴涂軌跡主要采用圓弧插補(bǔ)和直線插補(bǔ)2種插補(bǔ)方式進(jìn)行軌跡規(guī)劃，如圖7 所示。

圖7 模具噴涂軌跡規(guī)劃仿真

另外，機(jī)器人與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了TCP/IP 通信，現(xiàn)場(chǎng)操作人員可通過(guò)基于仿真軟件二次開(kāi)發(fā)的可視化軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4 結(jié)論

本文針對(duì)鐵路軌道預(yù)制板構(gòu)件預(yù)制生產(chǎn)線的軌道預(yù)制板模具脫模劑噴涂工位設(shè)計(jì)并實(shí)施了一種基于工業(yè)機(jī)器人的軌道預(yù)制板模具脫模劑自動(dòng)噴涂系統(tǒng)，能夠降低人工成本，彌補(bǔ)專(zhuān)用設(shè)備適應(yīng)性低的缺點(diǎn)，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。工業(yè)機(jī)器人擁有極高的自由度和可達(dá)性，能夠到達(dá)模具狹小的局部空間內(nèi)進(jìn)行噴涂，并提高噴涂的一致性，同時(shí)提高了模具的噴涂質(zhì)量和效率。